[发明专利]基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法

说明书

一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，属于微波电子设备技术领域。所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。本发明提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率；同时，通过调节电流强度可实现不同功率的高频微波输出，输出微波信号性能良好，且结构简单，功耗低，与CMOS工艺相兼容，易于集成。

技术领域

本发明属于微波电子设备技术领域，具体涉及一种基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。

背景技术

现代移动通信中常用的微波源振荡器主要有压控LC振荡器和晶体振荡器等。其中，压控LC振荡器的电路设计灵活，成本低，易实现正弦波输出和可调频率输出，但是，这种振荡器的体积大(微米量级)、频率较低(如GPS：1.6GHZ；GSM：850MHZ；WCDMA：2GHZ)，且频率调节范围小(20％)。而石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但其使用频率单一，无法调节。

近年来，有研究者提出了基于自旋转矩效应的自旋微波振荡器，这类振荡器的基本结构为磁性膜(FM1)/非磁性膜(NM)/磁性膜(FM2)形成的三明治结构，被FM1层自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用，但其受到自旋极化率的制约，在实现微波振荡的过程中往往需要较高的电流密度，这不仅增大了能耗，产生的噪声也会影响输出的微波信号的质量。因此，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对微波振荡器件的小型化、集成化、低功耗和高频可调的要求越来越迫切。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出了一种结构简单、成本低廉、易与CMOS技术集成的基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。

进一步地，所述磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。

进一步地，所述磁性薄膜层为铥铁石榴石(Tm₃Fe₅O₁₂)、铋掺杂的铥铁石榴石((TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂)或溴化铬等具有面外磁各向异性的磁性薄膜层。

进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为强自旋轨道耦合材料，具体为钽(Ta)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)或Bi₂Te₃等。

进一步地，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～50μm，优选为1nm～1μm。

进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为1nm～50nm。

本发明还提供了一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、清洗基片；

步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用薄膜沉积工艺形成厚度为1nm～50μm的磁性薄膜层；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的磁性薄膜层上形成厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层，得到磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层双层异质结构；

步骤4、采用刻蚀工艺在步骤3得到的异质结构上制作振荡器图形和电极，得到所述纳米振荡器。